JP2021120263A - ハイブリッド車用動力伝達装置 - Google Patents

Abstract

【課題】モータの動力損失抑制と走行安定性とが向上したハイブリッド車を提供する。【解決手段】動力伝達装置は、ベルト式の無段変速機（ＣＶＴ）１０と、モータ３の動力をアウトプット軸１８に直接的に伝達できる主動遊星歯車機構８及び従動遊星歯車機構１９を備えている。主動遊星歯車機構８は第２クラッチ３５を備え、従動遊星歯車機構１９は第３クラッチ４０を備えている。モータ３の動力が無段変速機１０を経由せずにアウトプット軸１８にダイレクトに伝わるため、モータ３の動力損失を抑制できる。クラッチ２５，３５，４０とブレーキ４１を制御することにより、多彩な走行制御を実現できる。【選択図】図１

Description

本発明は、走行駆動源としてエンジンとモータとを併有しているハイブリッド車の動力伝達装置に関するものである。

走行駆動源としてエンジンとモータとを搭載したハイブリッド車は広く知られている。このハイブリッド車の動力伝達装置は、エンジン駆動車の動力伝達装置を基本にしており、エンジンの動力とモータの動力が無段変速機（ＣＶＴ）に選択的に入力されるようになっている。

しかし、無段変速機はベルト式であって動力伝達損失が発生するため、モータの動力が無段変速機を経由してアウトプット軸に伝達される構成では、モータによる走行駆動効率（力行）および減速時の回生効率が無段変速機構の伝達損失の影響を受けて低下するという問題がある。

この点について本願出願人は、特許文献１において、モータの動力が無段変速機を経由せずにアウトプット軸に伝達されるように、モータの動力をアウトプット軸に直接的に伝達するバイパス伝達手段を設けることを開示した。そして、この特許文献１では、バイパス伝達手段として、インプット軸にクラッチを介して平歯車を設け、このインプット軸側の平歯車を、アウトプット軸に設けた遊星歯車機構のキャリアに設けた平歯車に噛合させている。

特開２０１８−１７２０９５号公報

特許文献１の構成では、モータの動力はアウトプット軸にダイレクトに伝達されるため、モータ駆動時の駆動効率を向上できると共に、減速時の回生効率を向上できる利点がある。

本願発明はこの特許文献１の思想を発展させたものであり、モータ走行時の制御性・走行安定性の向上や走行モードのバリエーション拡大などを実現しようとするものである。

本願発明は、請求項１のとおり、
「動力源としてのエンジン及びモータと、無段変速機に動力伝達するインプット軸と、前記無段変速機から動力伝達されるアウトプット軸と、前記エンジンから前記インプット軸への動力伝達を継断する第１クラッチと、前記モータの動力を前記アウトプット軸に直接的に伝達するバイパス伝達手段とを備えている」
という基本構成において、
「前記バイパス伝達手段は、前記インプット軸と同心の主動サンギヤを有する主動遊星歯車機構と、前記アウトプット軸と同心の従動サンギヤを有する従動遊星歯車機構とを備えて、前記モータの動力は、前記主動遊星歯車機構の主動キャリアを介して従動遊星歯車機構の従動キャリアに伝達される」
という特徴を有している。

請求項１において、第１クラッチは摩擦板方式やギヤ式のものを使用してもよいし、トルクコンバータをクラッチに兼用することも可能である。

本願発明は、好適な構成として請求項２の構成も含んでいる。この請求項２の発明は、請求項１において、
「前記主動遊星歯車機構には、当該主動遊星歯車機構におけるキャリアと前記インプット軸との動力伝達を継断する第２クラッチを設け、前記従動遊星歯車機構には、当該従動遊星歯車機構のキャリアと前記アウトプット軸との動力伝達を継断できる第３クラッチを設けている」
という構成になっている。

本発明によれば、モータの動力をアウトプット軸にダイレクトに伝達できるため、モータの駆動効率及び回生効率を向上できる。

さて、モータは効率の良い回転域を有しており、一般に、ある程度以下の低速回転域では安定した回転を維持し難いという性質がある。この点、本願発明では、モータの回転は主動遊星歯車機構によって減速された状態でアウトプット軸の従動遊星歯車機構に動力伝達できるため、モータを安定した回転域で回転させつつ、アウトプット軸を低速回転させることができる。

従って、モータ駆動モードで自動車を発進させたり渋滞時などで低速走行させたりするにおいて、伝達効率と回生効率とを向上させつつ、必要なトルクを確保して安定した走行を実現できる。

請求項２のように構成すると、第１クラッチを切り替えてエンジン走行モードとモータ走行モードとに切り替えできるのみならず、第１〜第３クラッチの継断を組み合わせることにより、モータ駆動モードにおいて、無段変速機を経由した変速とバイパス伝達手段を経由した変速とが組み合わされた回転数に変速したり、エンジン駆動モードにおいて、無段変速機を経由した変速とバイパス伝達手段を経由した変速とが組み合わされた回転数に変速したり、エンジンの動力を無段変速機に伝達しつつ、モータによってアウトプット軸の回転をアシストするといった多彩な走行モードを実現できる。

従って、エンジン走行とモータ走行との特性を利用して、速度や負荷に応じたきめ細かな走行モードを実現できる。その結果、ハイブリッド車としての機能を向上できる。

実施形態のニュートラル状態を示す模式図である。 実施形態のモータ走行モードを示す模式図である。 実施形態のエンジン走行モードを示す模式図である。 エンジン走行をモータでアシストしているハイブリッド走行モードを示す模式図である。

次に、本発明の実施の形態を添付図面に基づいて詳細に説明する。

(1).動力伝達装置の構造
動力伝達装置は、エンジン１の本体（シリンダブロック及びオイルパン）の後面に固定されたミッションケース２（図１参照）に格納されており、モータ（モータジェネレータ）３が、その回転軸をクランク軸４と並行にした姿勢でミッションケース２に併設されている。なお、図１ではミッションケース２とモータ３とが部分的に重なっているが、両者は紙面と直交した方向にずれている。敢えて述べるまでもないが、モータ３には、バッテリからインバータを介して給電される。

クランク軸４にはスタータ用ギヤを有する回転ダンパ５が固定されており、回転ダンパ５にエンジン出力中継軸６が固定されている。ミッションケース２には、エンジン出力中継軸６と同心のインプット軸７が回転自在に保持されている。インプット軸７には、主動遊星歯車機構８とその下流側に位置した第１平ギヤ９とが設けられている。第１平ギヤ９は、無段変速機（ＣＶＴ）１０のプライマリ軸（入力軸）１１に固定された第２平ギヤ１２に噛合している。第１平ギヤ９と第２平ギヤ１２とは同じ歯数になっているが、歯数を異ならせてもよい。

無段変速機１０は、プライマリ軸１１と平行なセカンダリ軸（出力軸）１３を有しており、プライマリ軸１１に設けた主動可変プーリ１４とセカンダリ軸１３に設けた従動可変プーリ１５とに、断面台形のベルト１６が巻き掛けられている。

ミッションケース２には、セカンダリ軸１３と同心のアウトプット軸１８が回転自在に保持されており、セカンダリ軸１３とアウトプット軸１８とに跨がった状態で従動遊星歯車機構１９が配置されている。更に、ミッションケース２には、アウトプット軸１８と平行なデフ軸２０が回転自在に配置されており、アウトプット軸１８の回転は、第３平ギヤ２１と第４平ギヤ２２とを介してデフ軸２０に動力伝達される。第３平ギヤ２１は第４平ギヤ２２よりも遥かに小径であり、アウトプット軸１８の回転はデフ軸２０に減速して伝達される。

デフ軸２０には、デファレンシャルギヤ２３を介してアクスルシャフト２４が接続されている。実施形態の自動車は前輪駆動方式であるが、後輪駆動方式の場合は、アウトプット軸１８から傘歯車機構を介してドライブシャフトに動力伝達されて、ドライブシャフトから傘歯車機構を介してデフ軸に動力伝達される。

エンジン出力中継軸６とアウトプット軸１８との動力伝達は、第１クラッチ２５を介して行われる。第１クラッチ２５は摩擦板方式であり、エンジン出力中継軸６にスプライン嵌合した可動クラッチ体２５ａと、アウトプット軸１８に固定された固定クラッチ体２５ｂとで構成されており、可動クラッチ体２５ａが図示しないシフターによってスライドすることにより、エンジン出力中継軸６からアウトプット軸１８への動力伝達が継断される。

また、第１クラッチ２５は単板式又は多板式の摩擦板方式であり、滑りを利用してエンジン出力中継軸６とアウトプット軸１８との回転比率を調節できる。従って、第１クラッチをトルクコバータに兼用できる。トルクコバータを第１クラッチに兼用することも可能である。

主動遊星歯車機構８は、アウトプット軸１８に相対回転自在に保持された筒体２６に設けた主動サンギヤ２７と、主動サンギヤ２７と主動内歯ギヤ（リングギヤ）２８とに噛合した複数個（４個又は３個）の主動遊星ギヤ２９と、主動遊星ギヤ２９の群が回転自在に保持された主動キャリア３０とを有しており、主動キャリア３０は、アウトプット軸１８に相対回転自在に保持されている。主動内歯ギヤ２８はミッションケース２に固定されている。主動遊星ギヤ２９は、主動キャリア３０に突設した支軸２９ａに設けられている。

主動キャリア３０は中空構造になっており、外周部に第５平ギヤ３１を設けている。第５平ギヤ３１は、従動遊星歯車機構１９の従動キャリア３２に設けた第６平ギヤ３３と噛合している。また、従動遊星歯車機構１９を構成する筒体２６に第７平ギヤ２６ａを設け、モータ３に設けた第８平ギヤ３ａを第７平ギヤ２６ａに噛合させている。従って、モータ３の動力は主動遊星歯車機構８のサンギヤ２７に伝達される。

主動遊星歯車機構８における主動キャリア３０の回転は、第２クラッチ３５を介してインプット軸７に動力伝達し得る。第２クラッチ３５は、アウトプット軸１８にスプライン嵌合にてスライド自在に装着された第２可動クラッチ体３５ａと、主動キャリア３０のインナーリング３６に設けた主動固定クラッチ体３５ｂとで構成されている。第２クラッチ３５は、噛み合い式でもよいし摩擦板方式でもよい。

第２可動クラッチ体３５ａは、主動キャリア３０の外周部に露出させた環状シフターによってスライド操作される。なお、主動キャリア３０をリング板状に構成して、その端面に設けた第２固定クラッチ体に第２可動クラッチ体３５ａを係脱させることも可能である。この場合は、第２可動クラッチ体３５ａのシフト構造は簡単になる。

従動遊星歯車機構１９は中空状の従動キャリア３２を有しており、従動キャリア３２の一端部には筒体３２ａを設けて、この筒体３２ａに第６平ギヤ３３を設けている。第６平ギヤ３３は第５平ギヤ３１と噛合しているが、第６平ギヤ３３は第５平ギヤ３１の数分の１の外径になっている。従って、主動キャリア３０の回転は、数倍に増速されて従動キャリア３２に伝達される。

セカンダリ軸１３のうち従動遊星歯車機構１９で囲われた部分に従動サンギヤ３７が固定されており、従動サンギヤ３７に複数個（３個又は４個）の従動遊星ギヤ３８が噛合している。各従動遊星ギヤ３８は、従動キャリア３２のうち従動可変プーリ１５に向いた側板３７に突設した支軸３８ａに回転自在に設けている。そして、各従動遊星ギヤ３８は従動内歯ギヤ３９に噛合している。従動内歯ギヤ３９は、従動キャリア３２の内周面に相対回転可能に保持されている。

従動内歯ギヤ３９からアウトプット軸１８への動力伝達は、第３クラッチ４０によって継断される。第３クラッチ４０は噛み合い式又は摩擦式であり、アウトプット軸１８にスプライン嵌合によってスライド自在に装着された第３可動クラッチ体４０ａと、従動内歯ギヤ３９を有する筒体３９ａに設けた第３固定クラッチ体４０ｂとで構成されている。第３可動クラッチ体４０ａは、従動キャリア３２の外側に露出させたシフターによってスライド操作される。

更に、動力伝達装置は、従動キャリア３２の回転を停止させるブレーキ４１を備えている。ブレーキ４１は噛み合い式でもよいし、摩擦式でもよい。

(2).作用の説明
次に、動力伝達装置の作用を説明する。以下では、各クラッチ２５，３５，４０については動力が伝達される係合状態をＯＮ、動力伝達が遮断される係合解除状態をＯＦＦとして、ブレーキ４１については、従動キャリア３２を回転不能にロックした状態をＯＮ、従動キャリア３２が回転自在に保持された状態をＯＦＦとしている。

図１はニュートラル状態を示しており、各クラッチ２５，３５，４０は係合解除されたＯＦＦ状態になっており、ブレーキ４１もＯＦＦになっている（ニュートラル状態では、ブレーキ４１をＯＮにして従動キャリア３２の回転を停止させておいてもよい。）。

図２ではモータダイレクト走行モードを示しており、このモードでは、第１クラッチ２５及び第２クラッチ３５はＯＦＦで、第３クラッチ４０はＯＮになっている。また、ブレーキ４１はＯＦＦになっている。

このモードでは、インプット軸７に対するエンジン１の動力伝達は遮断されて、モータ３の動力が、主動サンギヤ２７、主動遊星ギヤ２９、主動キャリア３０、従動キャリア３２、従動遊星ギヤ３８、従動内歯ギヤ３９、第３クラッチ４０、アウトプット軸１８の順に伝達される。この場合、従動遊星ギヤ３８は従動サンギヤ３７に噛合しているが、従動キャリア３２はセカンダリ軸１３に対して空回り状態になっているため、従動遊星ギヤ３８は公転しつつ従動サンギヤ３７に対して相対的に回転しており、その結果、従動サンギヤ３７には回転力は作用しない。従って、モータ３の回転がセカンダリ軸１３に逆流することはない。

そして、従動内歯ギヤ３９が第３クラッチ４０を介してアウトプット軸１８と一体化しているため、従動キャリア３２とアウトプット軸１８とは相対的に回転せずに、結果として、アウトプット軸１８は従動キャリア３２と同じ回転数で回転する。

アウトプット軸１８の回転数の制御はモータ３の回転数の制御によって行われるが、モータ３の動力は無段変速機１０を経由することなくアウトプット軸１８にダイレクトに伝わるため、動力損失を無くして燃費及び回生効率の向上に貢献できる。

また、モータ３の回転数と主動キャリア３２との回転数の比率は、主動遊星ギヤ２９の歯数と主動内歯ギヤ２８の歯数との比で決まる一方、主動キャリア３０と従動キャリア３２との回転数の比率は、第５平ギヤ３１の歯数と第６平ギヤ３３の歯数との比によって決まるため、これらの歯数を適宜設定することにより、モータ３を効率良く回転させつつ、アウトプット軸１８に適度のトルクを伝達することができる。

図３は、無段変速機１０を使用したエンジン走行モードを示している。このモードでは、第１クラッチ２５と第３クラッチ４０はＯＮで、第２クラッチ３５はＯＦＦになっている。モータ３は駆動されていないので、ブレーキ４１はＯＮ（ロック状態）になっている。従って、遊星歯車機構８，１９のキャリア３２，３０は回転しない。

このモードでは、エンジン１の動力は、第１クラッチ２５、インプット軸７、プライマリ軸１１、無段変速機１０、セカンダリ軸１３、従動サンギヤ３７、従動遊星ギヤ３８、第３クラッチ４０、アウトプット軸１８という順で動力伝達される。従動キャリア３２は回転しないので、セカンダリ軸１３の回転は、従動遊星ギヤ３８の歯数と従動内歯ギヤ３９の歯数との比率に応じて減速されてアウトプット軸１８に伝達される。

自動車がエンジン走行モードで発進する場合、発進時にエンジン１に大きな負荷が掛かるが、この場合は、エンジン１の回転数（トルク）をある程度に維持しつつ、第１クラッチ２５を滑らせることにより、インプット軸７の回転数を徐々に上昇させていったらよい。トルクコンバータを備えている場合は、このような制御は不要である。なお、トルクコンバータを備えている場合でも、第１クラッチ２５を設けるのが好ましい。

図４では、エンジン１の駆動力をモータ３の回転によってアシストするハイブリッド走行モードを示している。このモードでは、第１〜第３の各クラッチ２５，３５，４０はＯＮで、ブレーキ４１はＯＦＦになっている。

このモードでは、エンジン１の動力は無段変速機１０を経由してアウトプット軸１８に伝達されるが、主動遊星歯車機構８を介して従動遊星歯車機構１９の従動キャリア３２にも動力が伝達されるため、エンジン走行モードに比べて、従動キャリア３２の回転の分だけアウトプット軸１８の回転数（或いはトルク）が増大する。従って、加速時や坂道発進などで有益である。

図示していないが、本実施形態では、モータ３の回転を両遊星歯車機構８，１９から無段変速機１０と従動遊星歯車機構１９との両方に分岐して伝達するモータ走行スプリットモードも実行できる。このモードでは、第１クラッチ２５はＯＦＦ、第２クラッチ３５及び第３クラッチ４０はＯＮで、ブレーキ４１はＯＦＦになっている。

このモードでは、モータ３の動力の一部は、第２クラッチ３５、インプット軸７、プライマリ軸１１、無段変速機１０、セカンダリ軸１３、従動サンギヤ３７、従動遊星ギヤ３８、従動内歯ギヤ３９、第３クラッチ４０、アウトプット軸１８の順で伝達される。

また、モータ３の動力の他の一部は、モータダイレクト走行モードと同様に、主動サンギヤ２７、主動遊星ギヤ２９、主動キャリア３２、従動キャリア３２、従動遊星ギヤ３８、従動内歯ギヤ３９、第３クラッチ４０を介してアウトプット軸１８に伝達される。

このモータ走行スプリットモードでは、セカンダリ軸１３及び従動サンギヤ３７が回転するため、従動サンギヤ３７の歯数と従動内歯ギヤ３９との歯数との比率に基づいてアウトプット軸１８の回転数（従動内歯ギヤ３９の回転数）が決まる。

そして、このモータ走行スプリットモードでは、インプット軸７の回転数とセカンダリ軸１３の回転数との比率を無段変速機１０によって変更できるため、モータ３による回転制御と無段変速機１０による回転制御との組み合わせによって、モータ３の出力を必要最小限度に保持しつつ、走行速度や負荷に応じたきめ細かい回転制御を実現できる。従って、モータ３を効率よく使用できる。

更に、本実施形態では、エンジン１の動力を無段変速機１０と従動遊星歯車機構１９とに分岐して伝達するエンジン走行スプリットモードも実行できる。このモードでは、第１クラッチ２５及び第２クラッチ３５はＯＮで第３クラッチ４０はＯＦＦ、ブレーキ４１はＯＦＦになっている。

エンジンの動力の一部は無段変速機１０を経由して従動サンギヤ３７、従動遊星ギヤ３８、従動内歯ギヤ３９に伝達され、エンジンの動力の他の一部は、主動サンギヤ２７、主動キャリア３２、従動キャリア３２、従動遊星ギヤ３８、従動内歯ギヤ３９の順で動力伝達される。そして、モータ走行スプリットモードの場合と同様に、従動サンギヤ３７の歯数と従動内歯ギヤの歯数との比率に基づいてアウトプット軸１８の回転数（従動内歯ギヤ３９の回転数）が決まる。

従って、例えば走行負荷が低い状態でこのモードを実行することにより、無段変速機１０による動力損失を抑制して燃費を改善できる。なお、エンジン走行スプリットモードでは主動キャリア３０と主動遊星ギヤ２９は回転しているが、主動遊星ギヤ２９は、主動サンギヤ２７に対して空回り状態で公転するため、エンジン１の動力がモータ３に伝わることはない。

以上説明したように、本実施形態では、モータ３によってアウトプット軸１８を直接的に駆動できるため、モータ３の動力損失抑制と回生効率向上とを実現できるが、クラッチ２５，３５，４０とブレーキ４１との組み合わせにより、多彩な走行モードを実現してエンジン及びモータ３を効率良く使用できる。これにより、走行安定性を確保しつつ燃費を改善できる。

本願発明は、他にも様々に具体化できる。例えば、モータの回転を主動サンギヤに伝達する経路にクラッチを設けることも可能である。エンジン走行モードでエンジンの回転が主動サンギヤ２７に伝達される場合は、モータの回路をＯＦＦにしてモータを空回りさせたら良く、エンジン走行モードでの減速時等にモータに回生させる場合は、モータの回路を閉じて発電機として機能させたらよい。

本願発明は、ハイブリッド車の動力伝達装置に具体化できる。従って、産業上利用できる。

１ エンジン
２ ミッションケース
３ モータ
４ クランク軸
６ エンジン出力中継軸
７ インプット軸
８ 主動遊星歯車機構
１０ 無段変速機
１１ プライマリ軸
１３ セカンダリ軸
１８ アウトプット軸
１９ 従動遊星歯車機構
２０ デフ軸（デファレンシャル軸）
２５ 第１クラッチ
２７ 主動サンギヤ
２８ 主動内歯ギヤ
２９ 主動遊星ギヤ
３０ 主動キャリア
３２ 従動キャリア
３５ 第２クラッチ
３７ 従動サンギヤ
３８ 従動遊星ギヤ
３９ 従動内歯ギヤ
４０ 第３クラッチ
４１ ブレーキ（ロッククラッチ）

Claims (2)

1. 動力源としてのエンジン及びモータと、無段変速機に動力伝達するインプット軸と、前記無段変速機から動力伝達されるアウトプット軸と、前記エンジンから前記インプット軸への動力伝達を継断する第１クラッチと、前記モータの動力を前記アウトプット軸に直接的に伝達するバイパス伝達手段とを備えている構成であって、
   前記バイパス伝達手段は、前記インプット軸と同心の主動サンギヤを有する主動遊星歯車機構と、前記アウトプット軸と同心の従動サンギヤを有する従動遊星歯車機構とを備えて、前記モータの動力は、前記主動遊星歯車機構の主動キャリアを介して従動遊星歯車機構の従動キャリアに伝達される、
   ハイブリッド車用動力伝達装置。
2. 前記主動遊星歯車機構には、当該主動遊星歯車機構におけるキャリアと前記インプット軸との動力伝達を継断する第２クラッチを設け、前記従動遊星歯車機構には、当該従動遊星歯車機構のキャリアと前記アウトプット軸との動力伝達を継断できる第３クラッチを設けている、
   請求項１に記載したハイブリッド車用動力伝達装置。

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